化工原理概念汇总

化工原理知识化工原理知识 绪论绪论 1 1 单元操作 单元操作 UnitUnit OperationsOperations 用来为化学反应过程创造适宜的条件或将反应物分离制成纯净品 在化工生产中共有的 过程称为单元操作 12 单元操作特点 单元操作特点 所有的单元操作都是物理性操作 不改变化学性质 单元操作是化工生产过程中共 有的操作 单元操作作用于不同的化工过程时 基本原理相同 所用设备也是通用的 单元操作理论基础 单元操作理论基础 1111 1212 质量守恒定律 输入 输出 积存 能量守恒定律 对于稳定的过 程输入 输出 动量守恒定律 动量的输入 动量的输出 动量的积存 2 2 研究方法 研究方法 实验研究方法 经验法 用量纲分析和相似论为指导 依靠实验来确定过程变量之间 的关系 通常用无量纲数群 或称准数 构成的关系来表达 数学模型法 半经验半理论方法 数学模型法 半经验半理论方法 通过分析 在抓住过程本质的前提下 对过程做出 合理的简化 得出能基本反映过程机理的物理模型 04 3 3 因次分析法与数学模型法的区别 因次分析法与数学模型法的区别 08B08B 数数学学模模型型法法 半半经经验验半半理理论论 因因次次论论指指导导下下的的实实验验研研究究法法 实实验验 寻寻找找函函数数形形式式 决决定定参参数数 第二章 流体输送机械第二章 流体输送机械 一 概念题 1 1 离心泵的压头 或扬程 离心泵的压头 或扬程 离心泵的压头 或扬程 泵向单位重量的液体提供的机械能 以 H 表示 单位为 m 2 2 离心泵的理论压头 离心泵的理论压头 理论压头 离心泵的叶轮叶片无限多 液体完全沿着叶片弯曲的表面流动而无任何其他 的流动 液体为粘性等于零的理想流体 泵在这种理想状态下产生的压头称为理论压头 实际压头 离心泵的实际压头与理论压头有较大的差异 原因在于流体在通过泵的过程 中存在着压头损失 它主要包括 1 叶片间的环流 2 流体的阻力损失 3 冲击损 失 3 3 气缚现象及其防止 气缚现象及其防止 气缚现象 离心泵开动时如果泵壳内和吸入管内没有充满液体 它便没有抽吸液体的能 力 这是因为气体的密度比液体的密度小的多 随叶轮旋转产生的离心力不足以造成吸 上液体所需要的真空度 像这种泵壳内因为存在气体而导致吸不上液的现象称为气缚 防止 在吸入管底部装上止逆阀 使启动前泵内充满液体 4 4 轴功率 有效功率 效率 轴功率 有效功率 效率 有效功率 排送到管道的液体从叶轮获得的功率 用NeNe表示 效率 轴功率 电机输入离心泵的功率 用N N表示 单位为J S W或kW 二 简述题 1 1 离心泵的工作点的确定及流量调节 离心泵的工作点的确定及流量调节 工作点 管路特性曲线与离心泵的特性曲线的交点 就是将液体送过管路所需的压头与 泵对液体所提供的压头正好相对等时的流量 该交点称为泵在管路上的工作点 流量调节 1 改变出口阀开度 改变管路特性曲线 2 改变泵的转速 改变泵的特性曲线 2 2 离心泵的工作原理 过程 离心泵的工作原理 过程 开泵前 先在泵内灌满要输送的液体 开泵后 泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力 液体在此作用下 从叶轮中心被抛向 叶轮外周 压力增高 并以很高的速度 15 25 m s 流入泵壳 在蜗形泵壳中由于流 道的不断扩大 液体的流速减慢 使大部分动能转化为压力能 最后液体以较高的静压 强从排出口流入排出管道 泵内的液体被抛出后 叶轮的中心形成了真空 在液面压强 大气压 与泵内压力 负 压 的压差作用下 液体便经吸入管路进入泵内 填补了被排除液体的位置 3 3 离心泵的汽蚀现象 以及安装高度的确定方法 及其防止办法 离心泵的汽蚀现象 以及安装高度的确定方法 及其防止办法 汽蚀现象 提高泵的安装高度 将导致泵内压力降低 其最低值为叶片间通道入口 附近 当这个最低值降至被输送液体的饱和蒸汽压时 将发生沸腾 所产生的蒸汽泡在 随液体从入口向外周流动中 又因压力迅速加大而积聚冷凝 使液体以很大速度从周围 冲向汽泡中心 产生频率很高 瞬时压力很大的冲击 这种现象称为 汽蚀 安装高度的确定方法 泵的允许安装高度受最小汽蚀余量或允许吸上真空度的限制 以免发生汽蚀现象 例如 管路压头减去汽蚀余量等于允许安装高度 防止方法 预防措施 离心泵的安装高度只要低于允许安装高度 就不会发生汽 蚀 离心泵入口处压力不能过低 而应有一最低允许值 允许汽蚀余量 gQHNe e NN gQHN 第三章 机械分离与固体流态化第三章 机械分离与固体流态化 一 概念题 1 1 均相混合物与非均相混合物 均相混合物与非均相混合物 均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物 例如 互溶溶液 及混合气体 非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同混合物 2 2 表征颗粒的基本概念 表征颗粒的基本概念 球形度 目的涵义 3 3 自由沉降和干扰沉降 自由沉降和干扰沉降 自由沉降 单个颗粒在无限大流体中的降落过程 颗粒彼此相距很远 不产生干扰的沉 降称为自由沉降 干扰沉降 若颗粒之间的距离很小 即使没有互相接触 一个颗粒沉降时也会受到其它 颗粒的影响 这种沉降称为干扰沉降 4 4 过滤 过滤介质 助滤剂 过滤 过滤介质 助滤剂 过滤 利用多孔介质使液体通过而截留固体颗粒 使悬浮液中固液分离的过程 过滤介质 多孔性介质 耐腐蚀 耐热并具有足够的机械强度 过滤介质特点 助滤剂 是颗粒细小 粒度分布范围较窄 坚硬而悬浮性好的颗粒状或纤维固体 如硅 藻土 纤维粉末 活性炭 石棉 5 5 深层过滤与滤饼过滤 深层过滤与滤饼过滤 深层过滤 颗粒尺寸比介质的孔道的直径小得多 但孔道弯曲细长 颗粒进入之后 很 容易被截留 更由于流体流过时所引起的挤压与冲撞作用 颗粒紧附在孔道的壁面上 这种过滤时在介质内部进行的 介质表面无滤饼形成 滤饼过滤 颗粒的尺寸大多数都比过滤介质的孔道大 固体物积聚于介质表面 形成滤 饼 过滤开始时 很小的颗粒也会进入介质的孔道内 部分特别小的颗粒还会通过介质 的孔道而不被截留 使滤液仍是混浊的 在滤饼形成之后 他便成为对其后的颗粒其主 要截留作用的介质 滤液因此变清 过滤阻力将随滤饼的加厚而渐增 滤液滤出的速率 也渐减 故滤饼积聚到一定厚度后 要将其从介质表面上移去 这种方法适用于处理固 体物含量比较大的悬浮液 5 5 过滤常数 比阻 过滤常数 比阻 压缩性指数s 压缩指数 0 s 1 可压缩滤饼 s 0 不可压缩滤饼 过滤常数 K 与滤饼性质 s a 滤浆性质 c 推动力 p 有关 比阻 表征滤饼过滤阻力大小的数值 6 6 可压缩滤饼与不可压缩滤饼 可压缩滤饼与不可压缩滤饼 不可压缩滤饼 某些悬浮液所形成的滤饼 其空隙结构因颗粒坚硬不会因受压而变形 这种滤饼成为不可压缩的 可压缩滤饼 若滤饼受压后变形 致使滤饼的空隙率减小 使过滤阻力增大 这种滤饼 称为可压缩的 7 7 重力收尘与旋风收尘 重力收尘与旋风收尘 重力收尘 气体进入降尘室后 因流通截面扩大而速度减慢 尘粒一方面随气流沿水平 方向运动 其速度与气流速度 u 相同 另一方面在重力作用下以沉降速度 u0垂直向下运 动 只要气体通过降尘室经历的时间大于或等于其中的尘粒沉降到室底所需的时间 尘 粒便可分离出来 旋风收尘 旋风除尘器 从气流中分离颗粒 含尘气体从圆筒上侧的进气管以切线方 向进入 按螺旋形路线相器底旋转 接近底部后转而向上 气流中所夹带的尘粒在随气 流旋转的过程中逐渐趋向器壁 碰到而落下 颗粒到达器壁所需要的沉降时间只要不大 于停留时间 它便可以从气流中分离出来 8 8 沉降终速及其计算公式 沉降终速及其计算公式 初始时 颗粒的降落速度和所受阻力都为零 颗粒因受力加速下降 随降落速度的增加 阻力也相应增大 直到与沉降作用力相等 颗粒受力达到平衡 加速度也减小到零 此 后 颗粒以等速下降 这一最终达到的速度称为沉降速度 直径为 d 的球形颗粒 重力 浮力 阻力 推导得 9 9 横穿洗涤与置换洗涤 横穿洗涤与置换洗涤 横穿洗法 洗涤液所穿过的滤饼厚度 2 倍于最终过滤时滤饼通过的厚度 置换洗法 洗涤液所走的路线与最终过滤是滤液的路线一样 s pK 1 2 u 4 d g 6 g 6 2 2 33 颗粒颗粒 dd 3 4gd u 颗粒 1010 流态化 固体流态化 聚式流态化 散式流态化 流态化 固体流态化 聚式流态化 散式流态化 流态化 一种使固体颗粒层通过与运动的流体接触而具有流体某些表观特性的过程 固体流态化 将固体颗粒对在容器内的多孔板上 形成一个床层 若令流体自下而上通 过床层 流速低时 颗粒不动 流速加大到一定程度后颗粒便活动 而床层膨胀 流速 进一步加大则颗粒彼此离开而在流体中浮动 流速愈大 浮动愈剧 床层愈高 称这种 情况为固体流态化 聚式流态化 发生在气固系统 床层内的颗粒很少分散开来各自运动 而多是聚结成团 的运动 成团地被气泡推起或挤开 这种形式的流态化称为聚式 散式流态化 发生在液固系统 若固体颗粒层用液体来进行流态化 流速增大时 床层 从开始膨胀直到水力输送的过程中 床层颗粒的扰动程度是平缓地加大的 颗粒持续地 增大其分散状态 这种形式的流态化称为散式 1111 起始 最小 临界 流态化速度 颗粒带出速度 起始 最小 临界 流态化速度 颗粒带出速度 起始流化速度 固体颗粒刚刚能流化起来 床层开始流态化时的流体表观速度称为起始 流化速度 是固定床与流化床的转折点 带出速度 夹带速度 当某指定颗粒开始被带出时的流体表观速度称为带出速度 流化床的操作流速应大于起始流化速度 又要小于带出速度 二 简述题 1 1 简述离心分离与旋风分离的差别 简述离心分离与旋风分离的差别 2 2 重力收尘与旋风收尘的工作条件 重力收尘与旋风收尘的工作条件 重力收尘 只要气体通过降尘室经历的时间大于或等于其中的尘粒沉降到室底所需的时 间 尘粒便可分离出来 旋风收尘 颗粒到达器壁所需要的沉降时间只要不大于停留时间 它便可以从气流中分 离出来 3 3 简述重力沉降速度与离心沉降速度区别和联系 简述重力沉降速度与离心沉降速度区别和联系 设颗粒与流体介质相对运动属于层流设颗粒与流体介质相对运动属于层流 初始时 颗粒的降落速度和所受阻力都为零 颗粒因受力加速下降 随降落速度的增加 阻力也相应增大 直到与沉降作用力相等 颗粒受力达到平衡 加速度也减小到零 此 后 颗粒以等速下降 这一最终达到的速度称为沉降速度 重力沉降速度 离心力沉降速度 4 4 聚式流态化的特 聚式流态化的特点 腾涌 沟流点 腾涌 沟流 5 5 画图并说明流化床的压力损失与气速的关系 画图并说明流化床的压力损失与气速的关系 在流态化阶段 流体通过床层的压力损失等于流化床中全部颗粒的净重力 AB 段为固定床阶段 由于流体在此阶段流速较低 颗粒较细时常处于层流状态 压力损 失逾表观速度的一次放成正比 因此该段为斜率为 1 的直线 A B 段表示从流化床恢复到固定床时的压力损失变化关系 由于颗粒从逐渐减慢的上 升气流中落下所形成的床层比随机装填的要疏松一些 导致压力损失也小一些 BC 段略向上倾斜是由于流体流过器壁及分布板时的阻力损失随气速增大而造成的 CD 段向下倾斜 表示此时由于某些颗粒开始为上升气流所带走 床内颗粒量减少 平衡 颗粒重力所需的压力自然不断下降 直至颗粒全部被带走 r u 18 2 2 t 颗粒 d u 18 2 gd u 颗粒 固定床 流化床 带出开始 C A D A 起始流化速度 带出速度 logu 流化床压力损失与气速关系 log pf B P u 与与与与与与与与与与与与 1 2 3 4 5 固定床 流化床 夹带开始 沟 流现象 节涌 腾涌 现象 6 6 举例说明数学模型法简化与等效的原理 举例说明数学模型法简化与等效的原理 过滤时 滤液在滤饼与过滤介质的微小通道中流动 由于通道形状很不规则且相互交联 难以对流体流动规律进行理论分析 故常将真实流动简化成长度均为 Le 的一组平行细 管中的流动 并规定 1 细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积 2 细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积 7 7 用因次分析法导出沉降速度中的阻力系数是雷诺数的函数相关各物理量的因次 用因次分析法导出沉降速度中的阻力系数是雷诺数的函数相关各物理量的因次 Ld 1 NMg 1 Lu 2 LN 3 ML 分别对阻力系数和雷诺数进行因次分析 由此证明了用滤饼过滤过程说明数 112 LMN 21 LMNRe e Rf 学模型法的原理 8 8 流态化的形成过程 流态化的形成过程 固定床阶段 此时流体的真正速度 u 颗粒的沉降速度u0 流化床阶段 此时u u0颗粒悬浮于流体中 床层有一个明显的上界面 与沸腾水的表 面相似 a 固定床 b 流化床 c 气力输送 颗粒输送阶段 气力输送 u u0 9 9 试将 试将 STOCK SSTOCK S 区的沉降终速公式 用雷诺数和阿基米德数表征区的沉降终速公式 用雷诺数和阿基米德数表征 18 2 0 gdu s 1010 悬浮液的沉聚过程 悬浮液的沉聚过程 沉降槽内悬浮液的沉聚过程可以通过间歇沉降实验来考查 将新配备的悬浮液倒进玻璃 圆筒内 若其中颗粒大小比较均匀 颗粒开始沉降后桶内边出现四个区域 A 清液区 B 等浓度区 C 变浓度区 D 沉聚区 沉聚过程继续进行 A 区 D 区逐渐扩大 B 区则逐渐缩 小至消失 AC 界面下降的速度变慢 然后 AC 间界面也消失 全部颗粒集中于 D 区 为了达到临界沉降点 自此后的沉降结果是沉渣被压紧 第四章第四章 搅拌搅拌 概念 1 1 搅拌中的打漩现象 搅拌中的打漩现象 2 2 搅拌单元操作 及其作用的目标 搅拌单元操作 及其作用的目标 以液体为主体的搅拌操作 常常将被搅拌物料分为液 液 气 液 固 液 气 液 固等 情况 搅拌既可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作 促进混合为主要目的 如进行液 液混合 固 液悬浮 气 液分散 液 液分散和液 液乳化等 又往往是完成其他单元操作的必要手段 以促进传热 传质 化学反应为主要目的 如 在搅拌设备内进行流体的加热与冷却 萃取 吸收 溶解 结晶 聚合等操作 搅拌的作用目标 搅拌的作用目标 3 3 搅拌器功率及其影响因素 搅拌器功率及其影响因素 4 4 搅拌槽 搅拌槽 5 5 叶轮的主要形式 叶轮的主要形式 第七章第七章 蒸发蒸发 一 概念题 1 1 加热蒸汽和二次蒸汽 加热蒸汽和二次蒸汽 加热蒸汽 蒸发需要不断的供给热能 工业上采用的热源所用的水蒸汽 二次蒸汽 蒸发的物料大多是水溶液 蒸发时产生的水蒸汽 2 2 单效蒸发与多效蒸发 单效蒸发与多效蒸发 二次蒸汽利用的情况可分为单效和多效蒸发 单效蒸发 将所产生的二次蒸汽不再利用 而直接送给冷凝器冷凝以除去的操作 多效蒸发 将多个蒸发器串联 使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发过程 3 3 溶液的沸点升高与杜林规则 溶液的沸点升高与杜林规则 溶液中含有溶质 故其沸点必须高于纯溶剂在同一压力下的沸点 亦即高于蒸发室压力 下的饱和蒸汽温度 此高出的温度称为溶液的沸点升高 溶液的沸点升高与溶液的种类 溶液中溶质的浓度以及蒸发压力有关 杜林规则 某液体 或溶液 在两种不同压力下两沸点之差 与另一标准体在相应压力 下两沸点之差 其比值为一常数 4 4 浓缩热与自蒸发 闪蒸 浓缩热与自蒸发 闪蒸 二 简述题 1 1 蒸发过程的特点 蒸发过程的特点 常见的蒸发 实质上是在间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程 蒸发的特点 1 沸点升高 2 3 2 2 温度差损失的及其原因 温度差损失的及其原因 蒸发器中的传热温差 当加热蒸气的饱和温度一定 若蒸发室内压力为 101 3kPa 而蒸 发的又是水而不是溶液 这时的传热温差最大 如果蒸发的是 30 NaOH 的沸点高于水的 沸点 则蒸发器里的传热温差减小 称为传热温差损失 温差损失就等于溶液的沸点与 同压力下水的沸点之差 除此之外 蒸发器中液柱静压头的影响及流体流过加热管时的 阻力损失 都导致溶液沸点的进一步升高 第八 九章第八 九章 传质传质 一 概念题 1 1 气膜控制与液膜控制 气膜控制与液膜控制 气膜控制 溶解度很大的气体 溶解度系数小 液相分阻力在总阻力中所占的比重将相 对地小 传质阻力几乎全集中于气相 通常称为气膜控制 液膜控制 溶解度很小的气体 则溶解度很小 则传质阻力几乎全集中在液相 通称为 液膜控制 2 2 吸收因数和脱吸因数吸收因数和脱吸因数 吸收因数 几何意义为操作线斜率 L G 与平衡线斜率 m 之比 A L mG 脱吸因数 脱吸因数是吸收因数的倒数 S mG L 3 3 气液相平衡与溶解度 气液相平衡与溶解度 在溶质 A 与溶剂接触 进行溶解的过程中能够 随着溶液浓度的逐渐增高 传质速率将 逐渐减慢 最后降到零 溶液浓度达到最大限度 这时称气液达到了相平衡 称为平衡 溶解度 简称溶解度 4 4 物理吸收与化学吸收 物理吸收与化学吸收 物理吸收 在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应 称为物理吸收 化学吸收 如果在吸收过程中 溶质与溶剂发生显著化学反应 则此吸收操作称为化学 吸收 5 5 吸收与解吸 吸收与解吸 吸收 利用不同的气体组分在液体溶剂中溶解度的差异 对其进行选择性溶解 从而将 气体混合物各组分分离的传质过程的单元操作称为吸收 如用水作溶剂来吸收混合在空 气中的氨 它是利用氨和空气在水中溶解度的差异 进行分离 解吸 如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压 这个组分便 要从溶液中释放出来 即从液相转移到气相 这种情况称为解吸 或脱吸 6 6 单组分吸收与多组分吸收 单组分吸收与多组分吸收 单组分吸收 在吸收过程中 若混合气体中只有一个组分被吸收 其余组分可认为不溶 于吸收剂 则称之为单组分吸收 多组分吸收 如果混合气体中有两个或多个组分进入液相 则称为多组分吸收 7 7 等温吸收与非等温吸收 等温吸收与非等温吸收 等温吸收 气体溶于液体中时常伴随热效应 若热效应很小 或被吸收的组分在气相中 的浓度很低 而吸收剂用量很大 液相的温度变化不显著 则可认为是等温吸收 非等温吸收 若吸收过程中发生化学反应 其反应热很大 液相的温度明显变化 则该 吸收过程为非等温吸收过程 8 8 低浓度吸收与高浓度吸收 低浓度吸收与高浓度吸收 高浓度吸收 通常根据生产经验 规定当混合气中溶质组分 A 的摩尔分数大于 0 1 且 被吸收的数量多时 称为高浓度吸收 低浓度吸收 如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于 0 1 时 吸收称为低浓度吸收 低浓度吸收的特点 1 气液两相流经吸收塔的流率为常数 2 低浓度的吸收可视 为等温吸收 9 9 液气比与最小液气比 液气比与最小液气比 液气比 当定态连续吸收时 若 LS GB 一定 Yb Xa 恒定 则该吸收操作线在 X Y 直角坐标图上为一直线 通过塔顶 A Xa Ya 及塔底 B Xb Yb 其斜率 为 称为吸收操作的液气比 最小液气比 操作线上任一点与平衡线相遇 则该点的传质推动力为零 传质速率亦为 零 达到分离程度所需塔高为无穷大时的液气比 以 表示 1010 传质单元与传质单元数 传质单元与传质单元数 传质单元 式中 单位为 m 故将 称为气相总传质单元高度 以 HOG 表示 即 传质单元数 式中定积分 是一无因次的数值 工程上以 NOG表示 称为气相总 传质单元数 即 因此 填料层高度为 B S G L B S G L min G L b a b a Y Y Y Y YY YY Y a K V YYa K Y Z d Vd a K V Y a K V Y a K V H Y OG 1 2 d Y Y YY Y 1 2 OG d Y Y YY Y N OGOG HNZ 1111 对流传质 对流传质 对流传质 流动着的流体与壁面之间或两个有限互溶的流动流体之间发生的传质 通常 称为对流传质 1212 分子扩散 分子扩散 分子扩散 在静止或滞流流体内部 若某一组分存在浓度差 则因分子无规则的热运动 使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处 这种现象称为分子扩散 1313 等摩尔扩散与单向扩散 等摩尔扩散与单向扩散 等分子反向扩散 如图所示 当通过连通管内任一截面处两个组分的扩散速率大小相等 时 此扩散称为等分子反向扩散 1414 三传的类比 三传的类比 T p T p cA1 cA2 cB1 cB2 1 2 C cB2 cB1 cA1 cA2 0 z 扩散距离 z 图图 等等分分子子反反向向扩扩散散 1515 相平衡的应用 相平衡的应用 相平衡的应用 根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限 而且 两相的浓 度距离平衡愈远 则传质的推动力愈大 传质速率也愈大 降低操作温度 E m 溶质在液相中的溶解度增加 有利于吸收 压力不太高时 P E 变化忽略不计 但 m 使溶质在液相中的溶解度增加 有利于吸收 漂流因子 二 简述题 1 1 亨利定律的各种表达式以及相互之间的关系 亨利定律的各种表达式以及相互之间的关系 亨利定律的内容 总压不高 譬如不超过 5 105Pa 时 在一定温度下 稀溶液上方气 相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比 其比例系数为亨利系数 溶质在气相中的平衡分压 kPa E 亨利系数 kPa T E x 溶质在液相中的摩尔分率 cA 溶质在液相中的摩尔浓度 kmol m3 H 溶解度系数 kmol m3 kPa 溶质在气相中的平衡分压 kPa x 液相中溶质的摩尔分率 与液相组成x相平衡的气相中溶质的 摩尔分率 m 相平衡常数 无因次 X 液相中溶质的摩尔比 与液相组成X相平衡的气相中溶质的 摩尔比 2 2 吸收过程的基本理论 吸收过程的基本理论 吸收过程的基本理论 气液相平衡理论 溶解度 亨利定律 对于稀溶液 气液两相的溶度成正比 吸收传质速率 包括双膜理论 相际传质速率 NA Ky y y